编辑推荐︱硫酸盐还原菌竞争在电化学系统中对废水处理的影响

硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB）作为一类广泛存在的厌氧菌群，如图1所示SRB广泛分布于土壤、海洋、油井、排水和动物肠道等生态系统中，其在全球硫碳氮循环中起到重要作用。

图1 地球中的硫循环

如图2所示，硫酸盐还原过程通常需要有机质或者H2作为电子供体，但绝大部分的硫酸盐废水中都存在有机碳源不足的问题，这便需要向废水中额外补充电子供体，以保证硫酸盐的还原去除。相关研究证实，以有机质作为电子供体时，产甲烷菌（methanogenic bacteria, MB）更具有竞争优势；而自养型SRB在H2作为电子供体时更具竞争优势。

图2 硫酸盐还原途径

1 硫酸盐还原菌在水环境中的菌群关系

在纸浆、印染、酿造等行业废水和酸性矿山废水中，硫酸盐浓度可达到数百至上千毫克升，这对传统有机物污染去除过程产生严重影响。在富含硫酸盐的环境中， SRB在有机物氧化过程中使用硫酸盐作为终端电子受体，从而产生硫化物，其间，SRB将会与体系中的其他菌群发生竞争。而在缺乏硫酸盐的环境中SRB和MB在有机物降解过程中不是竞争关系而是共生关系。由此可见，通过对SRB在水处理过程中与不同菌群间的相互作用研究，可以获知SRB与其他菌群共生与竞争的影响因素，从微生物组学角度揭示SRB在微生物种群中的调控机理，为优化其应用于水处理工艺提供微生物学理论基础。

1.1 共生关系

Reeburgh在1976年提出，甲烷的厌氧氧化可以和硫酸盐还原相结合，随后，Bryan等在厌氧产甲烷的反应器中发现硫酸盐还原菌可以作为产丙酮菌存在。之后的大量研究也揭示了硫酸盐依赖甲烷氧化的微生物学过程。与此同时，在缺乏硫酸盐的自然水体中，SRB在有机物发酵和厌氧氧化中也起到了重要作用。因此，可以认为在绝大多数缺乏硫酸盐的环境中SRB和MB对有机物的降解是在共生关系下进行的而不是竞争关系。共生细菌（syntrophobacter species）是一类特殊的硫酸盐还原菌，可以在丙酸盐和硫酸盐环境中生长，在与氢营养型产甲烷菌共培养时，能够将丙酸盐转化为醋酸盐、二氧化碳和氢。如脱硫弧菌（Desulfovibrio）和脱硫杆菌（Desulfomicroium）可通过利用发酵丙酮酸生成的乙酸、二氧化碳和氢气来进行代谢生长。在氢营养型产甲烷菌将氢利用完后，SRB能将乳酸盐和乙醇氧化为醋酸盐作为生长基质。脱硫棒菌（Desulfobulbus）同样可以利用丙酸盐和硫酸盐进行生长，但与共生菌群不同的是，在与产甲烷菌共培养时其无法将丙酸盐转化为乙酸盐，而在无硫酸盐的环境中，Desulfobulbus可以将乳酸和乙醇（二氧化碳存在时）发酵成醋酸盐和丙酸盐。

在硫酸盐环境中，SRB的富集可以通过改变代谢途径和电子传递来促进甲烷产生。Zan等在食物垃圾和废物活性污泥共消化研究中，通过往体系中添加硫酸盐，使SRB在共消化中作为产乙酸菌将丙酸转化为乙酸，从热力学角度来看，这为MB提供了替代代谢途径，从而可以通过调控硫酸盐浓度提高厌氧共消化中的产甲烷效率。Li等采用两相厌氧反应器(COD/SO42-：3)中的产酸相（产酸-硫酸盐还原反应）进行硫酸盐还原，从而避免SRB与MB的竞争，有效提高含硫酸盐有机废水的去除效率。其中SRB细菌利用水解酸化细菌的液相末端代谢物作为电子供体，利用SO42-作为电子受体进行硫酸盐还原，SRB菌的存在可以促进产酸菌的代谢率。在自然竞争过程中，硫酸盐的存在及浓度的高低对竞争的结果具有重要的影响，SRB与MB的共生关系更多地存在于硫酸盐浓度不高的环境中。

在自然体系下，SRB可以与多种氧化菌和脱氢菌共生，形成菌群后共同完成生态系统中的循环过程。与SRB共生的氧化菌包括铁氧化菌、锰氧化菌等，它们可以利用SRB产生的硫化氢气体作为电子供体，完成自身的代谢过程。同时，SRB也可以与脱氢菌共生，如甲烷菌等，可以利用SRB产生的甲烷气体作为电子供体。然而，当环境中存在硫酸盐而有机底物浓度较低时，硫酸盐还原菌就会与其他菌群竞争资源，这种竞争将会抑制其他菌群的生长，从而使SRB在生态系统中占据优势地位。

1.2 竞争关系

硫酸盐还原菌作为一类厌氧环境中常见的以异养为主的微生物，不论是硫酸盐还原菌之间，还是硫酸盐还原菌与其他厌氧菌群之间都会存在着竞争行为，竞争的主要资源包括硫酸盐和有机物。在竞争中，SRB会通过多种方式来争夺资源。首先，SRB可以通过分泌特定的酶来降解有机物，从而获得更多的营养物质。其次，SRB可能会产生抗生素等化合物，以抑制其他菌群的生长，从而减少竞争。此外，一些SRB还可以形成有利于自身附着的生物膜，以占据更多的生态优势。不仅如此，硫酸盐还原菌作为一类菌属，不同的硫酸盐还原菌也会体现出不同的营养模式，这便对彼此的生存和代谢造成影响。根据碳代谢途径SRB可分为两大类：一类能将有机物完全降解为CO2；另一类则进行不完全氧化将有机物转化为乙酸盐。因此SRB不仅与MB竞争H2/CO2和醋酸盐，也与合成细菌竞争底物，如丙酸盐、丁酸盐和乙醇等，而这些是厌氧消化过程中的关键中间体。对底物的竞争同时体现在对有机物的降解途径上，硫酸盐还原的环境（图3a）和产甲烷环境（图3b）中的有机物降解是不同的。由于MB能直接利用的底物主要是CO2、H2和乙酸盐、，而在以有机酸，如乳酸、丙酸和丁酸作为生长底物时，SRB更具有优势，且SRB在可利用底物种类上也更为丰富。因此在硫酸盐存在的环境中，SRB能直接利用更多的底物进行代谢生长。而在产甲烷反应器中，化合物需要先被丙酮菌和产甲烷菌的共生群落分解后才能形成产甲烷菌的营养底物（图3b）。

图3  (a) 硫酸盐存在下有机物的降解; (b) 没有硫酸盐的情 况下有机物的降解

在富含硫酸盐废水的厌氧处理过程中，通常会存在硫化物毒性危害、甲烷产量低、H2S等有毒气体生成和腐蚀等问题。其中，H2S的产生会对体系中的菌群造成严重的毒害作用从而抑制反应器性能的提高，通过对SRB和MB之间的竞争调节可以缓解并平衡这些现象。研究证实，随着SRB生物量的增加，产甲烷古菌（methanogenic archaea，MA）的甲烷产率和生物量逐渐下降，这表明SRB可以在低乙酸浓度下与MA进行有效的竞争。从热力学的角度来看，SRB比MA和产丙酮细菌（AcB）更有竞争力。然而，Jing等研究发现在运行180天处理碳硫比(COD/SO42-)比为1的含乙醇和乙酸的富硫酸盐废水的UASB中，以乙醇为底物（通过SRB）还原硫酸盐的Desulfovibrio物种并没有明显优于以产甲烷(通过MA)为主的Methanosaeta conilli GP6。Chen等为了探索厌氧反应器中菌群的长期竞争动态，在实验室规模的UASB中，恒定COD/SO42-为1的条件下，连续运行329天，处理含乙醇和乙酸的富硫酸盐废水。并通过设计一个全面的结构化数学模型来扩展厌氧消化模型1 (ADM1)，预测和探究硫化物和产甲烷菌对电子的长期动态竞争。在整个过程中明显出现了MA优势阶段、相持阶段和SRB优势阶段。从而说明，SRB在水处理环境中的竞争行为是一个长期且阶段分明的过程，可以通过研究介导这个过程中的环境条件、菌群构成，从而对竞争结果进行干涉和改变，使竞争向有利的方向进行。

在微生物电化学过程中，SRB和MB作为两种重要的微生物群落。它们之间的长期竞争对废水处理效率和稳定性具有重要影响。微生物电化学技术在处理含硫酸盐废水中可以利用微生物和固体电极的相互作用来实现污染物的去除，而在这一过程中，SRB和其他微生物会在电极表面展开竞争，或通过电子传递过程及代谢活动参与硫酸盐的降解；另一方面，通过电化学调控，适当地施加电场，可以促进优势菌群的生长，从而对竞争结果进行改变或加速整体的竞争进程。同时微生物电化学还原硫酸盐的主要产物是硫化物，而硫化物是一种排放要求更严格的污染物。因此，硫酸盐污水的完整处理应整合硫化物的氧化回收过程。Pozoetal团队通过构建富集硫氧化菌的生物阳极对硫酸盐还原出水进行处理，取得了74%的硫回收率。因此，生物电化学不仅能应用于废水中硫酸盐的还原，还能应用于硫酸盐废水中单质硫的回收。

1.3 不同环境下硫酸盐还原菌的竞争对象

在缺乏硫酸盐的环境中，SRB和MPB可以进行共生生长；在硫酸盐还原为主的环境中，即富硫酸盐环境下，硫酸盐还原菌和产甲烷菌将会对底物乙酸和H2进行竞争，且与合成产甲烷菌进行竞争，从而体系中硫酸盐的浓度作为一项影响菌群关系的指标显得尤为重要，如表1列出了一些含硫酸盐废水处理过程中，体系所承受的硫酸盐浓度值。

由于对H2具有较高的亲合力和较低的阈值，氢营养的MB和同质产乙酸菌很容易被氢营养的SRB所取代。可以通过热力学计算看出硫酸盐还原的过程是优于产甲烷和产酸的过程。然而，大多数SRB以乙酸盐作为碳源，因此，当不提供乙酸盐时，SRB将与同质产乙酸菌共存，虽然乙酸营养型SRB在底物利用上同样优于乙酸营养型MB，但这种竞争并没有对氢营养型MB这么明显和剧烈。SRB中主要是Desulfobacca acetoxans，这是一种主要以乙酸盐为代谢原料的细菌，它的生长动力学较优于Methanosaeta spp.，而降解丙酸盐和丁酸盐的SRB的生长速度比MB和乙酸营养型SRB快得多。

SRB可分为产丙酮类SRB (ASRB)和产甲烷类SRB (MSRB)，当环境中的硫酸盐浓度不足以支撑SRB将有机物完全氧化时，在生态学上，SRB种群之间将会彼此进行硫酸盐的竞争，但目前对其种群间的竞争进行解释和探究的研究较少。在硫酸盐限制下，硫酸盐还原菌优先使用H2、乳酸和乙醇作为底物，而不使用丙酸盐和乙酸盐。

虽然SRB是以硫酸盐作为终端电子受体的能力来命名的，但还可以使用其他电子受体进行生长，并且可以在没有有机电子受体的情况下发酵底物。因此，在一个环境中出现大量SRB并不一定反映该环境中发生硫酸盐还原。所以从热力学上判断，硫酸盐还原反应过程从侧面反映着环境中菌群的生存关系，但菌群关系调控是一项复杂且存在诸多不可控因素的工作，此时通过采用额外的干扰，人为影响热力学进程，将能为这项工作提供新思路。微生物电解池(microbial electrolysis cell，MEC)则是一类通过外加电势来实现反应发生的能量净输入系统。因为在MEC中，阴极表面还原电势低于阳极表面氧化电势，系统电势差小于0，系统吉布斯自由能（∆Gº）大于0，故从热力学角度系统反应不会自发发生，需要外加一定的电势，弥补系统存在的电势差来引发电极表面氧化还原反应的发生。阴极硫酸盐还原的电子传递机制主要分为两种，一种是SRB利用在阴极产生的H2还原硫酸盐。Liu等利用碳布作为阴极电极材料，发现当阴极电势为-0.8 V (vs NHE)条件下可产生氢气还原硫酸盐。另一种是SRB直接接受阴极的电子还原硫酸盐。Yan等[23]利用Desulfopila corrodens IS4在纯菌体系下以石墨掺锗电极为电子供体，当阴极电势低于-0.4 V (vs NHE)时，Desulfopila corrodens IS4能够直接接受阴极的电子还原硫酸盐。在混菌体系下SRB能够直接接受电子还原硫酸盐。基于此，MEC也可应用于加速一些热力学上能自发进行但反应速率很慢的反应，通过不同功能生物阴极的构建，在电化学驱动下，N、S、C元素的相互关系和与此相关的菌群关系将得到干预和调节。

由于SRB存在的不同菌群关系复杂且多样，在一个体系中对菌群间的相互作用进行完全调控当前是无法实现的。更多的是通过对不同体系，在不同环境影响下对现存的菌群作用进行整理、归纳和分析，并作为类似处理工艺的参考，生物电化学的利用则为调节菌群生长进程提供了新的方式和手段，使研究能有更多的发展可能。

硫酸盐还原微生物（sulfate-reducing microorganisms ，SRM）是厌氧原核生物，主要利用异化硫酸盐还原来储存能量和代谢生长。由于硫酸盐接受电子后形成硫化物所产生的能量要比其他途径少得多。尽管硫还原途径具有能量劣势，但SRM已在各种环境中被检测到，并对硫和碳循环产生重大影响。如图4所示，不同种类的SRB构成了自然界中的硫循环过程。从而说明，在水处理过程中，研究人员往往需要对体系中的硫酸盐进行还原去除，但同时也希望控制硫化物的排放，这些过程都离不开SRB，所以对于菌群行为的研究是有必要的。根据地球微生物学中的“热力学阶梯”概念，SRM难以和具有更高能量输出的微生物（如反硝化菌或铁还原菌）竞争相同基质进行生长代谢，从热力学上讲，微生物在NO3−存在下无法有效地还原SO42−。但在水处理过程中，脱硫杆菌不仅可以利用硫化物进行氧化还原反应，通过其转化为硫酸盐来去除水体中的污染物质；还可以将硝酸盐还原为氮气，从而减少氮的含量。

细菌的代谢途径和SRB对于电子供体的利用途径对单个反应器中生物多样性和菌群关系方面起着重要作用，而SRB的多样性直接或间接地也受到了外加电场、导电介质、碳源类型及碳硫比、水力停留时间(HRT)、pH值和温度等工艺参数的影响。同时，硫作为一种常见的自然元素，与其他元素循环存在着密切关系，如图7所示，而其中硫酸盐还原微生物在对氮、磷的无害化去除方面也发挥着重要作用。